Complessivamente 30 volontari sani (diversi da quelli reclutati negli esperimenti del CAVE) hanno partecipato a questi esperimenti in LIB. Questi soggetti sono stati reclutati tra gli studenti dei Corsi di Laurea in Ingegneria Biomedica a Cesena (Università di Bologna). All’inizio di questo lavoro di tesi, la acquisizioni in LIB erano già state avviate da altri tesisti magistrali e io ho assistito a 4 acquisizioni per prendere atto della strumentazione/software utilizzati in fase di acquisizione, dei vari tipi di esperimenti (e task) e della varie fasi di ciascun esperimento.
A differenza di quanto accadeva per gli esperimenti presso il CAVE di Forlì, i soggetti volontari che si prestavano alle acquisizioni in laboratorio LIB a Cesena non necessitavano di alcuna fase di addestramento. Infatti, il contesto di queste esperienze era decisamente più semplice dal punto di vista operativo: non vi erano realtà virtuale, movement-tracking, megaschermi o palchi, ma solamente un volontario seduto ad una scrivania di fronte ad un monitor.
Invece, dal punto di vista delle tempistiche, qui si rendeva necessaria un’ora per completare l’intera acquisizione su ciascun soggetto che prevedeva infatti quattro
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esperimenti ognuno della durata di 15 minuti (3 fasi da 5 minuti in ciascun esperimento).
Sebbene la strumentazione per l’acquisizione dei segnali EEG ed ECG ed il software utilizzato fossero diverse da quelle relative alle esperienze di Forlì, anche per quanto riguarda queste prove in laboratorio la prima fase da seguire era la “vestizione” del soggetto. La preparazione del volontario è identica a quella descritta al paragrafo 2.3: posizionamento della cuffia, iniezione di gel negli elettrodi EEG, fissaggio degli elettrodi ECG in corrispondenza delle scapole e scrub (pulitura e strofinamento) dei lobi auricolari per ospitare gli elettrodi di riferimento. L’unica differenza risiede nella maggiore accortezza e attenzione che l’operatore doveva dimostrare in questa specifica fase, dal momento che il sistema di acquisizione utilizzato (Neurowave, vedi seguito) non è wireless come OpenBCI, bensì basato su collegamenti a filo. Ciascun elettrodo sulla calotta aveva un filo di colore diverso che lo collegava al sistema di amplificazione, filtraggio, conversione ed elaborazione posizionato sul tavolo. L’utilizzo di un sistema di acquisizione non wireless rispecchia la natura operativa dell’esperimento: il soggetto volontario doveva rimanere seduto per tutta la durata della prova.
Figura 2.7. Uno dei soggetti volontari durante l’esperimento. Vista laterale della cuffia per EEG. (tratta da archivio personale)
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Ogni soggetto veniva sottoposto a quattro esperimenti che verranno indicati con i termini completo, mentale, lettura, movimento dito; questa denominazione è basata sullo specifico task che ciascun esperimento prevedeva. Ogni soggetto veniva sottoposto a questi quattro esperimenti in ordine casuale. La suddivisione in fasi è la stessa per tutti e quattro gli esperimenti, che quindi si differenziano unicamente per il tipo di task implementato.
1. Rilassamento iniziale: il soggetto volontario vede davanti a sé uno schermo grigio con la scritta “relax” al centro, e per 5min deve rilassarsi e liberare la mente. Lo schermo è stato realizzato appositamente di un colore grigio poco luminoso per arginare il problema dell’affaticamento degli occhi dell’utente, lamentato dai primi volontari (inizialmente la schermata era bianca).
2. Compito (task) centrale: lo schermo mostra all’utente lo specifico task da eseguire. I quattro task, relativi ai quattro esperimenti, sono descritti di seguito. Ogni task da svolgere dura 5 minuti; il task altera lo stato di rilassamento precedente e comporta il coinvolgimento di componenti attentive e anche di stress (diverse a seconda del task da svolgere).
Task completo: al soggetto vengono presentate delle semplici operazioni di somma e sottrazione, ed è tenuto a rispondere, cliccando col mouse sugli appositi pulsanti, se il risultato dell’operazione è minore “<”, maggiore “>”, o uguale “=” ad un certo valore visualizzato a monitor. Questo task viene detto completo perché coinvolge tutte le seguenti componenti attentive: visiva (di lettura – non ad alta voce - dei caratteri alfanumerici a video), mentale (di computazione, per calcolare il risultato dell’operazione), motoria (di movimento del dito per rispondere esplicitamente con il click del mouse). Lo stato attentivo (e anche di stress del soggetto) è sollecitato richiedendo al soggetto (prima dell’inizio delle acquisizioni) di rispondere il più accuratamente ma anche il più velocemente possibile; per incentivare il soggetto a una risposta veloce, ogni volta che compare una nuova operazione a video, la schermata si ferma e non prosegue finché il soggetto non fornisce la risposta ma il trascorrere del tempo viene mostrato a video.
Task mentale: Anche in questo caso a video viene presentata una semplice operazione di somma e sottrazione, e al soggetto è richiesto se il risultato
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dell’operazione è minore “<”, maggiore “>”, o uguale “=” ad un certo valore visualizzato a monitor. A differenza però del task completo, in questo task il soggetto si deve impegnare a pensare alla risposta corretta senza però premere alcun pulsante (e quindi senza fornire alcuna risposta esplicita). Ogni 5s viene presentata al soggetto una diversa operazione fino al termine dei 5 minuti. Questo task richiede il coinvolgimento di componenti attentive visive e mentali, ma sono escluse componenti motorie dato che il soggetto resta fermo per l’intera durata del task.
Task lettura: La presentazione a video è del tutto analoga a quella del task mentale, ovvero ogni 5s viene presentata al soggetto una diversa operazione (del tipo sopra descritta). In questo caso, però, il soggetto è tenuto a leggere (mentalmente, non ad alta voce) i numeri che vede sul monitor, in una modalità passiva, cioè senza svolgere l’operazione e pensare alla risposta corretta e senza premere alcun pulsante. In questo task sono dunque coinvolte solo componenti attentive di tipo visivo (lettura dei caratteri sul monitor), ma senza eseguire alcuna computazione né movimento.
Task movimento dito: In questo caso la schermata di volta in volta presentata all’utente non ha disequazioni, bensì solo i tre pulsanti di scelta. Si chiedeva al soggetto di premere un pulsante in modo casuale ogni 5-10s. In questo caso l’unica componente attivata è quella motoria.
Questi quattro task sono stati ideati per valutare l’effetto delle varie componenti attentive sui segnali EEG e di HR.
3. Rilassamento finale: il soggetto vede davanti a sé nuovamente lo schermo grigio di relax, e in questi ultimi 5min dell’esperimento deve rilassarsi e liberare la mente.
Anche in questo caso si riportano sinteticamente i risultati di questi esperimenti. Come fatto in precedenza si sottolinea che la valutazione di questi risultati è stata fatta da altri tesisti (della laurea magistrale) in altri lavori di tesi, essendo l’obiettivo di questa tesi limitato allo sviluppo di un’interfaccia grafica per la visualizzazione e l’analisi dei segnali EEG ed ECG.
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- La potenza dei segnali EEG in banda alpha diminuisce durante la fase centrale di task rispetto alle fasi di rilassamento.
- La diminuzione è più evidente nel task completo rispetti agli altri task più semplificati; in particolari i cambiamenti minori di potenza in banda alpha si osservano nei task puramente visivo (task lettura) e nel task puramente motorio (task movimento dito)
- L’analisi spettrale dell’HR fornisce risultati coerenti con i risultati EEG. Il rapporto tra la potenza LF e la potenza HF (LF/HF) aumenta sistematicamente nelle fasi centrali di task rispetto alle fasi di relax. L’aumento maggiore del rapporto LF/HF si osserva durante il task completo, mentre i cambiamenti minori si hanno nel task lettura e nel task di movimento dito (puramente visivo e puramente motorio).
Questi risultati suggeriscono che l'attenzione modula significativamente sia la potenza in banda alpha dell’EEG che la variabilità della frequenza cardiaca e che il livello di questa modulazione cresce proporzionalmente all’impegno attentivo richiesto dal compito.
2.8 SETUP STRUMENTALE UTILIZZATO NEGLI ESPERIMENTI IN LIB: IL